WO2005118209A1 - Vorrichtung zum schweissen oder löten vermittels laserstrahlung - Google Patents

Vorrichtung zum schweissen oder löten vermittels laserstrahlung Download PDF

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WO2005118209A1
WO2005118209A1 PCT/EP2005/005597 EP2005005597W WO2005118209A1 WO 2005118209 A1 WO2005118209 A1 WO 2005118209A1 EP 2005005597 W EP2005005597 W EP 2005005597W WO 2005118209 A1 WO2005118209 A1 WO 2005118209A1
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individual
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PCT/EP2005/005597
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Vitalij Lissotschenko
Original Assignee
Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg
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    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/211—Bonding by welding with interposition of special material to facilitate connection of the parts

Definitions

  • the present invention relates to a device for welding or soldering by means of laser radiation according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention relates to a device for welding or soldering by means of laser radiation according to the preamble of claim 4.
  • a laser beam is split into a plurality of partial beams which are focused into the working area by a common focusing lens.
  • this focusing lens has a central opening through which an additional material can be fed to the work area essentially perpendicular to the surface of the work area.
  • the filler material is fed shortly above the focusing lens on a path of feed means curved by an angle of approximately 90 °.
  • the filler material which can for example be designed as a welding wire, is curved in a relatively small radius. This can lead to feeding difficulties.
  • the filler material is guided through an area in which the partial beams are guided onto the common focusing lens, so that under certain circumstances losses or at least influences on the partial beams can occur.
  • the Filler material is fed from the feed means to the work area substantially perpendicular to the surface of the work area.
  • a mirror is provided in the path of the filler material, which is penetrated by the filler material.
  • the light of the individual partial beams is fed to the working area by means of this mirror.
  • the filler material is therefore not supplied between the feed means and the working area in the central direction of propagation of the laser radiation, but only in an area located between the aforementioned mirror and the working plane.
  • a disadvantage here is the comparatively complex or intensity-reducing deflection of the laser radiation.
  • parts of the laser radiation must be guided through an area in which the filler material is located, so that influences or losses can also occur here.
  • a further disadvantage of all the embodiments of the device known from the aforementioned French patent application is that the light distribution in the working area cannot be influenced in a targeted manner.
  • the problem underlying the present train is the creation of a device of the type mentioned at the beginning, which enables a more effective supply of the filler material and / or which enables the light distribution in the work area to be influenced.
  • the filler material in an area between the feed means and the work area in one Direction is supplied, which corresponds to the average direction of propagation of the laser radiation in this area. Due to the fact that neither the filler material has to be introduced from the side into the rectilinearly spreading laser radiation, nor that the laser radiation has to be guided from the side past the rectilinearly supplied filler material, there is an effective supply of the filler material in which the individual partial beams of the laser radiation are not or only insignificantly affected by the filler material.
  • the direction in which the filler material is fed to the work area can be oriented perpendicular to the surface of the work area.
  • the filler material can be designed as a welding wire or solder wire.
  • the device comprises influencing means for at least one of the partial beams for influencing the light distribution of the laser radiation in the working area.
  • the partial beams can be influenced independently of one another.
  • This independent ability to influence the light distribution of the laser radiation in the work area can be influenced in a very variable manner.
  • the light distribution in the work area can be spatially and / or temporally influenced.
  • the switch-on times of the individual partial beams or the switch-on times of the individual partial beams can be influenced, in which case a comparable, arbitrary light distribution can then be set by spatial and / or temporal integration in the working area.
  • the device comprises optical fibers, from which partial beams that can be used for welding emerge.
  • At least one lens element is assigned to each of the partial beams.
  • This lens element can be designed as a spherical lens or as crossed cylindrical lenses.
  • the at least one lens element can be designed as a collimating lens for each of the partial beams.
  • the focusing means are designed as a focusing lens through which a plurality of the partial beams can pass.
  • the focusing lens can be designed as a spherical lens or as a crossed cylindrical lens.
  • the influencing means can move the optical fibers, in particular the ends of the optical fibers, in a targeted manner.
  • the movement of the optical fibers can, on the one hand, influence the position of the partial beams in the working area and, on the other hand, the size of the cross sections of the partial beams in the working area that contribute to the light distribution.
  • the influencing means can move the lens elements assigned to the individual partial beams in a targeted manner.
  • both the position and the size of the cross section of the partial beams in the work area can also be influenced in a targeted manner by the movement of the lens elements assigned to the individual partial beams.
  • the lens elements assigned to the individual partial beams are designed as influencing means, such that they are shaped differently, so that different contributions of the individual partial beams to the light distribution are given.
  • influencing means which can cause optical fibers or lens elements to move
  • influencing means designed as differently configured lens elements cannot be changed during a welding process.
  • Such a different design of individual lens elements to form a desired light distribution is therefore appropriate for welding processes that are constantly repeated in the same way.
  • the focusing lens is designed as an influencing means such that the passage areas for the individual partial beams are designed differently from one another, so that the contribution of the individual partial beams to a light distribution is influenced thereby.
  • Such influencing means are similar in terms of their nature and with regard to their area of application to the aforementioned influencing means formed by different lens elements.
  • influencing means are introduced into the beam path of the individual partial beams, which are designed in particular as plane-parallel plates which are oriented at an angle to the direction of propagation of the individual partial beams.
  • At least one of the influencing means introduced into the beam path of the individual partial beams is designed differently or takes a different angle to the direction of propagation of the partial beams than at least one of the other influencing means.
  • These influencing means which are designed, for example, as plane-parallel plates, can under certain circumstances be controlled so that they are pivoted into a different position during the welding or soldering process, so that the partial beam that passes through them makes another contribution to the light distribution in the working area supplies. In this way too, the light distribution of the laser radiation shaping the shitting or soldering process can be varied very variably.
  • the laser light sources can be controlled independently of one another and that the intensity and / or the operating time of individual partial beams can be changed independently of that of other partial beams.
  • the individual partial beams can thus be influenced very easily during the welding or soldering process, so that the light distribution of the laser radiation in the work area can also be changed.
  • the laser light sources assigned to the individual partial beams are designed as semiconductor laser devices. The intensities of the partial beams can thus be changed very simply by changing the drive voltage of the semiconductor laser devices.
  • Fig. 1 is a schematic side view of a device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a sectional view according to arrows l l-l l in FIG. 1;
  • Fig. 3 schematically shows the composition of an exemplary light distribution in the working area of the device
  • Fig. 4 schematically shows the structure of the light distribution according to FIG. Third
  • Fig. 1 The from Fig. 1 apparent embodiment of a device according to the invention is designed as a laser welding device by means of which welding can be carried out on an object 1.
  • a welding wire 2, shown schematically in FIG. 1, can be supplied to the welding area on the object 1 as an additional material for the welding process.
  • the device further comprises a plurality of optical fibers 4, from each of which a partial beam 6 of the laser radiation used for the welding process can emerge.
  • a partial beam 6 of the laser radiation used for the welding process can emerge.
  • other means for guiding the partial beams 6 can also be used.
  • the partial beams 6 guided through the individual optical fibers 4 can originate from a single laser light source, the light of which is correspondingly divided into different optical fibers 4.
  • a plurality of laser light sources can also be used, with each of the optical fibers 4 in particular having a separate one Laser light source can be assigned.
  • the laser light sources can be semiconductor laser devices, for example.
  • a collimating lens 3 is assigned to each of the optical fibers 4, which collimating lens 3 can convert the partial beam emerging from the corresponding optical fiber 4 into a collimated partial beam 7.
  • the individual collimating lenses are shown as spherical lenses.
  • the from Fig. 1 visible device further comprises a focusing lens 5 which serves as a focusing means and which can focus the individual collimated partial beams 7 onto the object 1 as focused partial beams 8.
  • the partial beams 6 emerging from all collimating lenses 3 pass through the focusing lens 5.
  • the focusing lens 5 comprises a central opening through which the welding wire 2 or a sleeve surrounding the welding wire 2 can protrude.
  • the focusing lens 5 is designed as a plano-convex spherical lens in the illustrated embodiment.
  • the two crossed cylindrical lenses can be formed on a substrate, for example on the entry and exit surfaces of such a substrate.
  • the welding wire 2 can be fed to the welding area on the object 1.
  • the welding area is given by the light distribution 9, which is generated by the focused partial beams 8 on the surface of the object 1.
  • a filler material for example in powder form, can also be fed to the welding area.
  • the device is designed as a soldering device, an additional material used for the soldering being fed through the sleeve 10 to the soldering area.
  • This filler material can be a solder, in particular a solder wire.
  • the device according to the invention can furthermore comprise influencing means which enable a targeted influencing of the individual partial beams 6, 7, 8.
  • the intensity of the focused partial beams 8 contributing to the light distribution 9 can be influenced.
  • the location on the surface of the object 1 on which the individual partial beams 8 strike can be influenced.
  • the point in time or the period in which any one of the partial beams 8 strikes the object 1 can also be influenced.
  • the influencing means can comprise, for example, means for moving the ends of the optical fibers 4.
  • the influencing means can comprise, for example, means for moving the ends of the optical fibers 4.
  • the optical fibers Through the Movement of the optical fibers in a direction perpendicular to the beam propagation allows the focus area 11 of the focused partial beam 8 impinging on the object 1 to be shifted.
  • 3 shows, by way of example, how the light distribution 9 of the laser radiation in the welding area on the object 1 can be generated by four focus areas 11 of different partial beams 8, which are partially offset relative to one another.
  • the size of the respective focus area 11 on the surface of the object 1 can be changed by moving the ends of the optical fibers 4 in the beam direction or counter to the beam direction.
  • the collimating lenses 3 there is the possibility of moving the collimating lenses 3.
  • the size of the focus area 11 can be changed by movements of the collimating lenses 3 in the beam propagation direction or counter to the beam propagation direction.
  • the collimating lenses 3 consist of mutually perpendicular cylindrical lenses arranged on different substrates, it is possible to move these two cylindrical lenses independently in different directions, so that not only the size and the location but also the shape of the focus area 1 1 of the respective focused partial beams 8 can be changed.
  • the control means being introduced into the beam path of the individual partial beams 6, 7, 8 plane-parallel plates are formed, which are aligned at an angle to the direction of propagation of the individual partial beams 6, 7, 8.
  • at least one of the plane-parallel plates introduced into the beam path of the individual partial beams 6, 7, 8 can take a different angle to the direction of propagation of the part-beams 6, 7, 8 than at least one of the other plane-parallel plates.
  • this partial beam 6, 7, 8 is deflected to a different location on the object 1 than the other partial beams 6, 7, 8.
  • the plane-parallel plates can in particular each be controlled independently of one another, so that their angle to the beam propagation direction is changed in a targeted manner can.
  • each of the collimating lenses 3 can have a very special shape that generates a focus area 11 that differs from the focus areas 11 of the other partial beams 8 that have passed through other collimating lenses 3.
  • the individual collimating lenses 3, which differ from one another are to be regarded as influencing means for influencing the partial beams 8 focused on the object 1.
  • Such influencing or control through the choice of the shape of the individual collimating lenses is appropriate if a welding process is always to be repeated without a different light distribution 9 being required in the welding area during one of the repetitions.
  • the aforementioned influencing means which serve to move individual components offer the possibility of selecting a different light distribution 9 for each welding process.
  • the focusing lens 5 can be regarded as an influencing means for influencing the light distribution 9.
  • Such influencing by a correspondingly shaped focusing lens 5 is also recommended for welding processes which are always carried out with the same light distribution.
  • the laser light sources assigned to the individual optical fibers 4, which are, for example, semiconductor laser devices, are controlled differently, so that the intensity of the partial beams 6 emerging from the optical fibers 4 is different. In this way too, contributions of different degrees of intensity from the focused partial beams 8 or the focus areas 11 of these partial beams 8 to the light distribution 9 on the surface of the object 1 are obtained.
  • the above-mentioned activation of the laser light sources for example in the form of a semiconductor laser device, can cause the object 1 to be exposed to the laser light of the individual partial beams 8 differently in time. In this way too, the light distribution 9 in the welding area can be influenced by averaging over time.
  • Fig. 4 shows an example of such a design, in which the oval area is approximately in the middle Light distribution 9 a welding zone 12 is provided, in which the temperature is increased by exposure to laser radiation such that the material of the object 1 or more objects 1 to be welded together in this area melts.
  • the light distribution 9 and thus the welding area moves in the direction of arrow 15 to the right in FIG. 4.
  • a heating area 13 is therefore provided to the right of the welding zone 12 in the light distribution 9, which preheats the material of the object 1 or the objects 1 to be welded to one another, so that the actual welding process is prepared.
  • a heating area 14 is provided behind the welding zone 12 or to the left of the welding zone 12, which keeps the material welded to one another at a certain temperature for a short time, which serves to heat the welding area, for example to reduce stress.
  • Semiconductor laser devices which serve to irradiate laser beams into the individual optical fibers, are compensated for by the other semiconductor laser devices of this device.
  • one of the semiconductor laser devices serving as laser light sources fails, one or all of the other semiconductor laser devices are controlled differently, in particular with a higher voltage, so that the laser beams emerging from the other semiconductor laser devices are more intense. Comparatively safe operation can thus be ensured, which ensures a constant light distribution 9 required for the corresponding welding process even if one or more of the semiconductor laser devices fails.
  • the device comprises reserve lasers that can replace failed semiconductor laser devices. These semiconductor laser devices, which serve as a reserve, can also be put into operation automatically if a semiconductor laser device fails.
  • the end of the optical fibers 4, the collimating lenses 3 and the focusing lens 5 are combined to form a welding head.
  • the welding wire 2 or the sleeve 10 for the welding wire 2 and the feed means for feeding the welding wire 2 are integrated into this welding head.
  • the feed means for the welding wire 2 or another filler material for the welding or soldering process are arranged outside the welding or soldering head.

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Abstract

Vorrichtung zum Schweißen oder Löten vermittels Laserstrahlung, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle für die Erzeugung von Laserlichtstrahlung, Fokussiermittel für die Fokussierung der Laserstrahlung in einen Arbeitsbereich sowie Zuführmittel für die Zuführung eines Zusatzwerkstoffes zu dem Arbeitsbereich, wobei die Laserstrahlung eine Mehrzahl von Teilstrahlen (8) aufweist und wobei die Vorrichtung Beeinflussungsmittel für mindestens einen der Teilstrahlen (8) zur Beeinflussung der Lichtverteilung (9) der Laserstrahlung im Arbeitsbereich umfasst und wobei der Zusatzwerkstoff in einem Bereich zwischen den Zuführmitteln und dem Arbeitsbereich in einer Richtung zugeführt wird, die der mittleren Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung in diesem Bereich entspricht.

Description

"Vorrichtung zum Schweißen oder Löten vermittels Laserstrahlung"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen oder Löten vermittels Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Schweißen oder Löten vermittels Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Vorrichtung der vorgenannten Arten sind aus der französischen Patentanmeldung FR 2823688 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen Vorrichtung wird ein Laserstrahl in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgespalten , die von einer gemeinsamen Fokussierlinse in den Arbeitsbereich fokussiert werden. Bei einer der in der vorgenannten französischen Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen weist diese Fokussierlinse eine mittige Öffnung auf, durch die hindurch ein Zusatzwerkstoff dem Arbeitsbereich im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Arbeitsbereiches zugeführt werden kann. Der Zusatzwerkstoff wird jedoch kurz oberhalb der Fokussierlinse auf einem um einen Winkel von etwa 90° gekrümmten Weg von Zuführmitteln zugeführt. Hierbei erweist sich zum Einen als Nachteil, dass in einem relativ geringen Radius der Zusatzwerkstoff, der beispielsweise als Schweißdraht ausgeführt sein kann, gekrümmt wird . Dies kann zu Zuführschwierigkeiten führen. Zum Anderen wird dabei der Zusatzwerkstoff durch einen Bereich geführt, in dem die Teilstrahlen auf die gemeinsame Fokussierlinse geführt werden, so dass hier unter Umständen Verluste oder zumindest Beeinflussungen der Teilstrahlen auftreten können.
Bei einer anderen der in der vorgenannten französischen Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen wird der Zusatzwerkstoff von den Zuführmitteln dem Arbeitsbereich im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Arbeitsbereiches zugeführt. Allerdings ist in dem Weg des Zusatzwerkstoffes ein Spiegel vorgesehen, der von dem Zusatzwerkstoff durchdrungen wird . Vermittels dieses Spiegels wird das Licht der einzelnen Teilstrahlen dem Arbeitsbereich zugeführt. Der Zusatzwerkstoff wird somit nicht zwischen den Zuführmitteln und dem Arbeitsbereich in der mittleren Ausbreitungsrichtu ng der Laserstrahlung zugeführt, sondern nur in einem zwischen dem vorgenannten Spiegel und der Arbeitsebene befindlichen Bereich. Als nachteilig hierbei erweist sich zum Einen die vergleichsweise aufwendige bzw. intensitätsverringernde Umlenkung der Laserstrahlung . Weiterhin müssen Teile der Laserstrahlung durch einen Bereich hindurch geführt werden, in dem der Zusatzwerkstoff befindlich ist, so dass auch hier Beeinflussungen bzw. Verluste auftreten können.
Weiterhin erweist sich bei sämtlichen Ausführungsformen der aus der vorgenannten französischen Patentanmeldung bekannten Vorrichtung als nachteilig , dass die Lichtverteilung im Arbeitsbereich nicht gezielt beeinflusst werden kann.
Das der vorliegende zug rundeliegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, d ie eine effektivere Zuführung des Zusatzwerkstoffes ermöglicht und/oder die eine Beeinflussung der Lichtverteilung im Arbeitsbereich ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Arten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder des Anspruchs 4 erreicht.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass der Zusatzwerkstoff in einem Bereich zwischen den Zuführmitteln und dem Arbeitsbereich in einer Richtung zugeführt wird , die der mittleren Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung in diesem Bereich entspricht. Aufgrund der Tatsache das somit weder der Zusatzwerkstoff von der Seite her in die sich geradlinig ausbreitende Laserstrahlung eingebracht werden muss, noch dass die Laserstrahlung von der Seite her an dem geradlinig zugeführten Zusatzwerkstoff vorbei geführt werden muss, ergibt sich eine effektive Zuführung des Zusatzwerkstoffes, bei der die einzelnen Teilstrahlen der Laserstrahlung durch den Zusatzwerkstoff nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt werden.
Hierbei kann die Richtung , unter der der Zusatzwerkstoff dem Arbeitsbereich zugeführt wird , senkrecht zur Oberfläche des Arbeitsbereiches ausgerichtet sein.
Weiterhin kann der Zusatzwerkstoff als Schweißdraht oder Lötdraht ausgebildet sein.
Gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung Beeinflussungsmittel für mindestens einen der Teilstrahlen zur Beeinflussung der Lichtverteilung der Laserstrahlung im Arbeitsbereich umfasst. Durch die gezielte Beeinflussung eines oder mehrerer Teilstrahlen kann die Lichtverteilung der für den Schweißoder Lötvorgang benutzen Laserstrahlung im Arbeitsbereich vergleichsweise einfach geändert werden.
Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass mindestens zwei, insbesondere sämtliche der Teilstrahlen unabhängig voneinander beeinflussbar sind . Durch diese unabhängige Beeinflussbarkeit kann die Lichtverteilung der Laserstrahlung im Arbeitsbereich sehr variabel beeinflusst werden . Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Lichtverteilung im Arbeitsbereich räumlich und/oder zeitlich beeinflussbar ist. Insbesondere können dabei beispielsweise die Einschaltzeitpunkte der einzelnen Teilstrahlen bzw. die Einschaltzeiten der einzelnen Teilstrahlen beeinflusst werden , wobei dann durch räumliche und/oder zeitliche I ntegration im Arbeitsbereich eine vergleichbare beliebige Lichtverteilung einstellbar ist.
Es kann vorgesehen sein , dass die Vorrichtung Lichtleitfasern umfasst, aus denen für das Schweißen verwendbare Teilstrahlen austreten.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass mindestens ein Linsenelement einem jeden der Teilstrahlen zugeordnet ist. Dieses Linsenelement kann dabei als sphärische Linse oder als zueinander gekreuzte Zylinderlinsen ausgebildet sein . I nsbesondere kann das mindestens eine Linsenelement als Kollimierlinse für jeweils einen der Teilstrahlen ausgebildet sein.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Fokussiermittel als Fokussierlinse ausgebildet sind , durch die eine Mehrzahl der Teilstrahlen hindurch treten kann . Insbesondere kann dabei die Fokussierlinse als sphärische Linse oder als zueinander gekreuzte Zylinderlinse ausgebildet sein .
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Beeinflussungsmittel die Lichtleitfasern , insbesondere die Enden der Lichtleitfasern gezielt bewegen können. Durch die Bewegung der Lichtleitfasern können zum Einen die Position der Teilstrahlen im Arbeitsbereich und zum Anderen die Größe der zu der Lichtverteilung beitragenden Querschnitte der Teilstrahlen im Arbeitsbereich beeinflusst werden. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Beeinflussungsmittel die den einzelnen Teilstrahlen zugeordneten Linsenelemente gezielt bewegen können . Wie durch die Bewegung der Enden der Lichtleitfasern können auch durch die Bewegung der den einzelnen Teilstrahlen zugeordneten Linsenelemente sowohl die Position als auch die Größe des Querschnitts der Teilstrahlen im Arbeitsbereich gezielt beeinflusst werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die einzelnen Teilstrahlen zugeordneten Linsenelemente als Beeinflussungsmittel ausgebildet sind , derart, dass sie unterschiedlich geformt sind , so dass dadurch unterschiedliche Beiträge der einzelnen Teilstrahlen zu der Lichtverteilung gegeben sind. Im Gegensatz zu den vorgenannten Beeinflussungsmitteln, die eine Bewegung von Lichtleitfasern oder Linsenelementen bewirken können, können als unterschiedlich ausgebildete Linsenelemente ausgeführte Beeinflussungsmittel nicht während eines Schweißprozesses geändert werden. Eine derartige unterschiedliche Gestaltung einzelner Linsenelemente zur Formung einer gewünschten Lichtverteilung bietet sich somit bei Schweißprozessen an, die ständig auf die gleiche Art und Weise wiederholt werden .
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Fokussierlinse als Beeinflussungsmittel ausgebildet ist, derart, dass d ie Durchtrittsbereiche für die einzelnen Teilstrahlen unterschiedlich zueinander ausgebildet sind , so dass dadurch der Beitrag der einzelnen Teilstrahlen zu einer Lichtverteilung beeinflusst wird . Derartige Beeinflussungsmittel ähneln hinsichtlich ihrer Beschaffenheit und hinsichtlich ihres Anwendungsbereiches den vorgenannten durch unterschiedliche Linsenelemente gebildeten Beeinflussungsmitteln . Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass in den Strahlengang der einzelnen Teilstrahlen Beeinflussungsmittel eingebracht sind , die insbesondere als planparallele Plättchen ausgebildet sind , die unter einem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der einzelnen Teilstrahlen ausgerichtet sind . Dabei kann vorgesehen sein , dass mindestens eines der in den Strahlengang der einzelnen Teilstrahlen eingebrachten Beeinflussungsmittel anders gestaltet ist oder einen anderen Winkel zu der Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen einnimmt als mindestens eines der anderen Beeinflussungsmittel. Diese beispielsweise als planparallele Plättchen ausgebildeten Beeinflussungsmittel können dabei unter Umständen gezielt angesteuert werden, so dass sie während des Schweißvorgangs oder des Lötvorgangs in eine unterschiedliche Position geschwenkt werden, so dass der Teilstrahl, der durch sie hindurch tritt, einen anderen Beitrag zu der Lichtverteilung im Arbeitsbereich liefert. Auch auf diese Weise kann sehr variabel d ie Lichtverteilung der den Scheiß- oder Lötvorgang gestaltenden Laserstrahlung verändert werden .
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass mindestens zwei der Teilstrahlen durch untersch iedliche Laserlichtquellen erzeugt werden , insbesondere jeder der Teilstrahlen durch eine von den übrigen unabhängige Laserlichtquelle. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein , dass die Laserlichtquellen unabhängig voneinander ansteuerbar sind , und das die I ntensität und/oder die Betriebszeit einzelner Teilstrahlen unabhängig von der anderer Teilstrahlen verändert werden kann . Durch die Wahl unterschiedlicher Laserlichtquellen für die einzelnen Teilstrahlen können die einzelnen Teilstrahlen somit sehr einfach während des Schweiß- oder Lötvorgangs beeinflusst werden, so dass dadurch auch die Lichtverteilung der Laserstrahlung im Arbeitsbereich verändert werden kann. Es besteht dabei die Möglichkeit, dass die den einzelnen Teilstrahlen zugeordneten Laserlichtquellen als Halbleiterlaservorrichtungen ausgebildet sind. Die Intensitäten der Teilstrahlen können somit sehr einfach durch die Veränderung der Ansteuerspannung der Halbleiterlaservorrichtungen geändert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ;
Fig . 2 eine Schnittansicht gemäß den Pfeilen l l-l l in Fig. 1 ;
Fig . 3 schematisch die Zusammensetzung einer beispielhaften Lichtverteilung im Arbeitsbereich der Vorrichtung;
Fig . 4 schematisch den Aufbau der Lichtverteilung gemäß Fig . 3.
Das aus Fig . 1 ersichtliche Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als Laserschweißvorrichtung ausgebildet, mittels der auf einem Objekt 1 geschweißt werden kann. Dem Schweißbereich auf dem Objekt 1 kann ein in Fig. 1 schematisch dargestellter Schweißdraht 2 als Zusatzwerkstoff für den Schweißvorgang zugeführt werden .
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Mehrzahl von Lichtleitfasern 4, aus denen jeweils ein Teilstrahl 6 der für den Schweißvorgang verwendeten Laserstrahlung austreten kann. Alternativ zur Verwendung der Mehrzahl von Lichtleitfasern 4 können auch andere Mittel zur Heranführung der Teilstrahlen 6 verwendet werden. Die durch die einzelnen Lichtleitfasern 4 hindurch geführten Teilstrahlen 6 können aus einer einzigen Laserlichtquelle stammen, deren Licht entsprechend auf verschiedene Lichtleitfasern 4 aufgeteilt wird . Alternativ dazu können auch mehrere Laserlichtquellen verwendet werden, wobei insbesondere jeder der Lichtleitfasern 4 eine separate Laserlichtquelle zugeordnet sein kann. Bei den Laserlichtquellen kann es sich beispielsweise um Halbleiterlaservorrichtungen handeln.
Bei der in Fig. 1 abgebildeten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist einer jeder der Lichtleitfasern 4 eine Kollimierlinse 3 zugeordnet, die den aus der entsprechenden Lichtleiterfaser 4 austretenden Teilstrahl in einen kollimierten Teilstrahl 7 überführen kann. In Fig . 1 und Fig . 2 sind die einzelnen Kollimierlinsen als sphärische Linsen abgebildet. Es besteht jedoch erfindungsgemäß durchaus die Möglichkeit, die als Kollimierlinsen dienenden Linsenelemente aus zwei zueinander gekreuzten Zylinderlinsen zusammenzusetzen. Hierbei besteht die Möglichkeit, die beiden Zylinderlinsen auf einem Substrat zusammenzufassen , insbesondere auf der Eintritts- und der Austrittsfläche eines Substrates anzuordnen . Alternativ dazu können die beiden zueinander gekreuzten Zylinderlinsen auch auf zwei separaten Substraten ausgebildet sein .
Die aus Fig . 1 ersichtliche Vorrichtung umfasst weiterhin eine als Fokussiermittel dienende Fokussierlinse 5, die die einzelnen kollimierten Teilstrahlen 7 als fokussierte Teilstrahlen 8 auf das Objekt 1 fokussieren kann . Insbesondere treten dabei die aus sämtlichen Kollimierlinsen 3 ausgetretenen Teilstrahlen 6 durch die Fokussierlinse 5 hindurch. Die Fokussierlinse 5 umfasst in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel eine zentrische Öffnung , durch die hindurch der Schweißdraht 2 bzw. eine den Schweißdraht 2 umgebende Hülse hindurchragen kann. Die Fokussierlinse 5 ist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel als plankonvexe sphärische Linse ausgebildet. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, die Fokussierlinse 5 aus zwei zueinander gekreuzten Zylinderlinsen zusammenzusetzen. Hierbei können die beiden zueinander gekreuzten Zylinderlinsen auf einem Substrat ausgebildet sein, beispielsweise auf der Eintritts- und der Austrittsfläche eines derartigen Substrates. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit auf zwei voneinander getrennten Substraten jeweils eine der beiden zueinander gekreuzten Zylinderlinsen auszubilden.
Durch die aus Fig . 2 ersichtliche Hülse 10 kann der Schweißdraht 2 dem Schweißbereich auf dem Objekt 1 zugeführt werden. Der Schweißbereich ist durch die Lichtverteilung 9 gegeben, die durch die fokussierten Teilstrahlen 8 auf der Oberfläche des Objektes 1 erzeugt wird . Durch d ie Hülse 10 kann anstelle eines Schweißdrahtes 2 auch ein beispielsweise pulverförmiger Zusatzwerkstoff dem Schweißbereich zugeführt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Vorrichtung als Lötvorrichtung ausgebildet ist, wobei durch d ie Hülse 10 dem Lötbereich ein für das Löten verwendeter Zusatzwerkstoff zugeführt wird . Bei diesem Zusatzwerkstoff kann es sich um ein Lot, insbesondere um einen Lötdraht handeln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin Beeinflussungsmittel umfassen , die eine gezielte Beeinflussung der einzelnen Teilstrahlen 6, 7, 8 ermöglichen. Insbesondere kann die Intensität der zu der Lichtverteilung 9 beitragenden fokussierten Teilstrahlen 8 beeinflusst werden. Weiterhin kann der Ort auf der Oberfläche des Objektes 1 , auf dem die einzelnen Teilstrahlen 8 auftreffen, beeinflusst werden. Weiterhin kann auch der Zeitpunkt bzw. der Zeitraum, in dem ein beliebiger der Teilstrahlen 8 auf das Objekt 1 auftrifft, beeinflusst werden.
Die Beeinflussungsmittel können dazu beispielsweise Mittel zur Bewegung der Enden der Lichtleitfasern 4 umfassen. Durch die Bewegung der Lichtleitfasern in einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitung kann der Fokusbereich 1 1 des auf das Objekt 1 auftreffenden fokussierten Teilstrahls 8 verschoben werden. In Fig. 3 ist beispielhaft gezeigt, wie die Lichtverteilung 9 der Laserstrahlung in dem Schweißbereich auf dem Objekt 1 durch vier teilweise gegeneinander versetzte Fokusbereiche 1 1 unterschiedlicher Teilstrahlen 8 erzeugt werden kann. Durch die Bewegung der Enden der Lichtleitfasern 4 in Strahlrichtung oder entgegen der Strahlrichtung kann die Größe des jeweiligen Fokusbereiches 1 1 auf der Oberfläche des Objektes 1 verändert werden.
Alternativ oder zusätzlich dazu besteht die Möglichkeit, die Kollimierlinsen 3 zu bewegen . Auch hier besteht die Möglichkeit, die Kollimierlinsen 3 in einer zu der Lichtausbreitungsrichtung senkrechten Richtung oder in zwei voneinander unabhängigen zu der Lichtausbreitungsrichtung senkrechten Richtung zu bewegen . Durch diese Bewegung kann auch der Ort des Fokusbereiches 1 1 auf der Oberfläche des Objektes 1 beeinflusst werden. Alternativ kann durch Bewegungen der Kollimierlinsen 3 in Strahlausbreitungsrichtung oder entgegen der Strahlausbreitungsrichtung die Größe des Fokusbereiches 1 1 verändert werden.
Für den Fall, dass die Kollimierlinsen 3 aus auf unterschiedlichen Substraten angeordnete zueinander senkrechte Zylinderlinsen bestehen, besteht die Möglichkeit, diese beiden Zylinderlinsen in unterschiedliche Richtungen unabhängig voneinander zu bewegen, so dass nicht nur d ie Größe und der Ort sondern auch die Form des Fokusbereiches 1 1 der jeweiligen fokussierten Teilstrahlen 8 verändert werden kann .
Es besteht weiterhin die Mödglichkeit, dass die Steuermittel als in den Strahlengang der einzelnen Teilstrahlen 6, 7, 8 eingebrachte planparallele Plättchen ausgebildet sind , die unter einem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der einzelnen Teilstrahlen 6, 7, 8 ausgerichtet sind . Hierbei kann mindestens eines der in den Strahlengang der einzelnen Teilstrahlen 6, 7, 8 eingebrachten planparallele Plättchen einen anderen Winkel zu der Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen 6, 7, 8 einnehmen als mindestens eines der anderen planparallelen Plättchen. Dadurch wird dieser Teilstrahl 6, 7, 8 zu einem anderen Ort auf dem Objekt 1 abgelenkt, als die anderen Teilstrahlen 6, 7, 8. Die planparallelen Plättchen können insbesondere jeweils unabhängig voneinander angesteuert werden, so dass ihr Winkel zur Strahlausbreitungsrichtung jeweils gezielt verändert werden kann.
Alternativ oder zusätzlich dazu besteht die Möglichkeit, eine oder mehrere oder sämtliche der Kollimierlinsen 3 unterschiedlich voneinander zu gestalten. Es kann somit beispielsweise eine jede der Kollimierlinsen 3 eine ganz spezielle Form aufweisen , die einen Fokusbereich 1 1 erzeugt, der sich von den Fokusbereichen 1 1 der übrigen Teilstrahlen 8, die durch andere Kollimierlinsen 3 hindurch getreten sind, unterscheidet. In diesem Fall sind die einzelnen zueinander unterschiedlichen Kollimierlinsen 3 als Beeinflussungsmittel für die Beeinflussung der auf das Objekt 1 fokussierten Teilstrahlen 8 anzusehen. Eine derartige Beeinflussung oder Steuerung durch Wahl der Form der einzelnen Kollimierlinsen bietet sich an , wenn ein Schweißprozess immer wiederholt werden soll, ohne dass bei einer der Wiederholungen eine unterschiedliche Lichtverteilung 9 im Schweißbereich benötigt wird . Demgegenüber bieten die vorgenannten der Bewegung einzelner Komponenten dienenden Beeinflussungsmittel die Möglichkeit, bei jedem Schweißprozess eine unterschiedliche Lichtverteilung 9 zu wählen.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, eine Beeinflussung der einzelnen fokussierten Teilstrahlen 8 durch eine entsprechend geformte Fokussierlinse 5 hervorzurufen. Beispielsweise können jeweils an den Orten, an denen die kollimierten Teilstrahlen 7 durch die Fokussierlinse 5 hindurch treten, entsprechende Oberflächengestaltungen vorgenommen werden, die sich von den Oberflächengestaltungen an den Orten der anderen kollimierten Teilstrahlen 7 unterscheiden. Als ein Beeinflussungsmittel für die Beeinflussung der Lichtverteilung 9 kann in einem derartigen Fall die Fokussierlinse 5 angesehen werden. Eine derartige Beeinflussung durch eine entsprechend geformte Fokussierlinse 5 empfiehlt sich ebenfalls für Schweißprozesse, die immer mit der gleichen Lichtverteilung durchgeführt werden.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die einzelnen Lichtleitfasern 4 zugeordneten Laserlichtquellen, die beispielsweise Halbleiterlaservorrichtungen sind , unterschiedlich angesteuert werden, so dass d ie Intensität der aus den Lichtleitfasern 4 austretenden Teilstrahlen 6 unterschiedlich ist. Auch auf diese Weise bekommt man unterschiedlich intensive Beiträge der fokussierten Teilstrahlen 8 bzw. der Fokusbereiche 1 1 dieser Teilstrahlen 8 zu der Lichtverteilung 9 auf der Oberfläche des Objektes 1 . Weiterhin kann auch durch die vorgenannte Ansteuerung der beispielsweise als Halbleiterlaservorrichtung ausgeführten Laserlichtquellen eine zeitlich unterschiedliche Beaufschlagung des Objektes 1 mit dem Laserlicht der einzelnen Teilstrahlen 8 erreicht werden. Auch auf diese Weise kann durch zeitliche Mittelung die Lichtverteilung 9 im Schweißbereich beeinflusst werden.
Durch einzelne oder sämtliche vorgenannte unterschiedliche Beeinflussungsmöglichkeiten besteht d ie Möglichkeit, die Lichtverteilung 9 im Schweißbereich auf der Oberfläche des Objektes 1 beliebig zu gestalten . Aus Fig . 4 ist beispielhaft eine derartige Gestaltung ersichtlich, bei der etwa im mittleren Bereich der ovalen Lichtverteilung 9 eine Schweißzone 12 vorgesehen ist, in der durch die Beaufschlagung mit Laserstrahlung die Temperatur derart erhöht ist, dass das Material des Objektes 1 oder mehrerer in diesem Bereich miteinander zu verschweißender Objekte 1 aufschmilzt. Die Lichtverteilung 9 und damit der Schweißbereich bewegt sich in Richtung des Pfeiles 15 nach rechts in Fig . 4. Daher ist rechts von der Schweißzone 12 in der Lichtverteilung 9 ein Aufheizbereich 13 vorgesehen, der das Material des Objektes 1 bzw. der miteinander zu verschweißenden Objekte 1 vorheizt, so dass der eigentliche Schweißprozess vorbereitet wird . Weiterhin ist beispielhaft in Fig . 4 hinter der Schweißzone 12 bzw. links von der Schweißzone 12 ein Ausheizbereich 14 vorgesehen, der das miteinander verschweißte Material noch kurze Zeit auf einer bestimmten Temperatur hält, die dem Ausheizen des Schweißbereiches dient, um beispielsweise Spannungen abzubauen.
Es besteht d ie Möglichkeit, die gesamte Vorrichtung derart zu steuern , dass auch das Ausfallen einzelner
Halbleiterlaservorrichtungen, die zur Einstrahlung von Laserstrahlen in die einzelnen Lichtleitfasern dienen, durch die übrigen Halbleiterlaservorrichtungen dieser Vorrichtung kompensiert wird. I n diesem Fall werden somit bei Ausfall einer der als Laserlichtquellen dienenden Halbleiterlaservorrichtungen einer oder sämtliche der anderen Halbleiterlaservorrichtungen anders angesteuert, insbesondere mit einer höheren Spannung, so dass die aus den anderen Halbleiterlaservorrichtungen austretenden Laserstrahlen intensiver sind . Es kann somit ein vergleichsweise sicherer Betrieb gewährleistet werden , der auch bei Ausfall einer oder mehrerer der Halbleiterlaservorrichtungen eine konstante für den entsprechenden Schweißprozess benötigte Lichtverteilung 9 gewährleistet. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung Reservelaser umfasst, die ausgefallene Halbleiterlaservorrichtungen ersetzen können . Diese als Reserve dienenden Halbleiterlaservorrichtungen können ebenfalls bei Ausfall einer Halbleiterlaservorrichtung automatisch in Betrieb genommen werden .
Es besteht die Möglichkeit, dass das Ende der Lichtleitfasern 4, die Kollimierlinsen 3 und die Fokussierlinse 5 zu einem Schweißkopf zusammengefasst sind . Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass in diesen Schweißkopf der Schweißdraht 2 bzw. d ie Hülse 1 0 für den Schweißdraht 2 sowie die Zuführmittel für die Zuführung des Schweißdrahtes 2 integriert sind . Alternativ dazu besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Zuführmittel für den Schweißdraht 2 oder einen anderen Zusatzwerkstoff für den Schweiß- oder Lötprozess außerhalb des Schweiß- oder Lötkopfes angeordnet sind .

Claims

Patentansprüche:
1 . Vorrichtung zum Schweißen oder Löten vermittels Laserstrahlung, umfassend mindestens eine Laserlichtquelle für die Erzeugung von Laserlichtstrahlung ;
Fokussiermittel für die Fokussierung der Laserstrahlung in einen Arbeitsbereich;
Zuführmittel für die Zuführung eines Zusatzwerkstoffes zu dem Arbeitsbereich ; dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff in einem Bereich zwischen den Zuführmitteln und dem Arbeitsbereich in einer Richtung zugeführt wird , die der mittleren Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung in diesem Bereich entspricht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung, unter der der Zusatzwerkstoff dem Arbeitsbereich zugeführt wird , senkrecht zur Oberfläche des Arbeitsbereiches ausgerichtet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff als Schweißdraht (2) oder Lötdraht ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , wobei die Laserstrahlung eine Mehrzahl von Teilstrahlen (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Beeinflussungsmittel für mindestens einen der Teilstrahlen (6, 7, 8) zur Beeinflussung der Lichtverteilung (9) der Laserstrahlung im Arbeitsbereich umfasst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei , insbesondere sämtliche der Teilstrahlen (8) unabhängig voneinander beeinflussbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtverteilung (9) im Arbeitsbereich räumlich und/oder zeitlich beeinflussbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Lichtleitfasern (4) umfasst, aus denen für das Schweißen verwendbare Teilstrahlen (6) austreten.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Linsenelement einem jeden der Teilstrahlen (6, 8) zugeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Linsenelement als sphärische Linse oder als zueinander gekreuzte Zylinderlinsen ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Linsenelement als Kollimierlinse (3) für jeweils einen der Teilstrahlen (6) ausgebildet ist.
1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiermittel als Fokussierlinse (5) ausgebildet sind, durch die eine Mehrzahl der Teilstrahlen (6 , 7) hindurchtreten können.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierlinse (5) als sphärische Linse oder als zueinander gekreuzte Zylinderlinsen ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussungsmittel die Lichtleitfasern (4), insbesondere die Enden der Lichtleitfasern (4) gezielt bewegen können.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussungsmittel die den einzelnen Teilstrahlen (6) zugeordneten Linsenelemente gezielt bewegen können.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen den Teilstrahlen (6) zugeordneten Linsenelemente als Beeinflussungsmittel ausgebildet sind , derart, dass sie unterschiedlich geformt sind , so dass dadurch unterschiedliche Beiträge der einzelnen Teilstrahlen (8) zu der Lichtverteilung (9) gegeben sind .
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierlinse (5) als Beeinflussungsmittel ausgebildet ist, derart, dass die Durchtrittsbereiche für die einzelnen Teilstrahlen (7) unterschiedlich zueinander ausgebildet sind , so dass dadurch der Beitrag der einzelnen Teilstrahlen (8) zu der Lichtverteilung (9) beeinflusst wird .
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strahlengang der einzelnen Teilstrahlen (6, 7, 8) Beeinflussungsmittel eingebracht sind, die insbesondere als planparallele Plättchen ausgebildet sind, die unter einem Winkel zur Ausbreitungsrichtung der einzelnen Teilstrahlen (6, 7, 8) ausgerichtet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der in den Strahlengang der einzelnen Teilstrahlen (6, 7, 8) eingebrachten Beeinflussungsmittel anders gestaltet ist oder einen anderen Winkel zu der Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen (6, 7, 8) einnimmt als mindestens eines der anderen Beeinflussungsmittel.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, das mindestens zwei der Teilstrahlen (6, 7, 8) durch unterschiedliche Laserlichtquellen erzeugt werden, insbesondere jeder der Teilstrahlen (6 , 7, 8) durch eine von den übrigen unabhängige Laserlichtquelle.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquellen unabhängig voneinander ansteuerbar sind , so dass die Intensität und/oder die Betriebszeit einzelner Teilstrahlen (6, 7, 8) unabhängig von den anderen Teilstrahlen (6, 7 , 8) verändert werden kann .
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die den einzelnen Teilstrahlen (6, 7, 8) zugeordneten Laserlichtquellen als Halbleiterlaservorrichtungen ausgebildet sind.
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